分析石拱桥的桥梁病害及防护措施
2016-03-23
简单的设计、低廉的造价是石拱桥的两大特点，但也正因为其设计简单，良好的使用性能只在短期内比较明显。随着年代的增长，病害增多、改造不易造成石拱桥养护难的局面，所以分析病害的成因来找出对应的治理和防护方案，更有利延长石拱桥的安全使用年限。
石拱桥病害的总结
通过对全国各地的石拱桥进行实地调研，总结出以下几点最为常见的病害:
(1)风雪雨水侵蚀石材料，降低了石材的强度，引起老化现象，从而影响拱桥结构的承载力。
(2)桥面的防水层被破坏或者严重至失效,造成了拱圈的漏水,对结构安全产生影响,缩短了桥梁的使用寿命。
(3)桥台发生剪切变形，造成走动，同时影响拱圈变形、跨度变化，甚至是拱顶界面开裂。
(4)产生裂缝并由桥墩的竖向向上发展到拱圈的纵向开裂，同时纵向开裂到侧墙的下方，从拱桥的顶端到底端不断消失
(5)在地基的纵向和横向分别发生无规则沉降，造成的拱圈的破坏，还会出现侧墙的倾斜、扭转、开裂，甚至是脱离现象。
(6)能挡住拱背填筑的侧墙由于厚度不足挡土力量不够而向外突出，或者出现两种侧墙开裂情况，第一是拱圈和侧墙连接界面的脱离，第二是侧墙自身的分裂。
(7)拱桥底端的拱圈被压碎，在一些拱桥上都能发现，经常会发生拱圈石料的碎裂和剥落现象。
(8)最严重的一种就是跨度不好的拱桥被洪水冲垮，需要重建，无法修复。
2.桥梁病害原因分析
关于以上八种常见的病害，经过分析和比对，大致影响原因有以下几点：
(1) 从设计上来看，石拱桥的设计一般多是无矫正拱形设计,均为超静定结构,所以容易发生拱桥的地基沉陷、墩台移动的现象。当拱桥桥墩在横向出现沉降不规则的现象时,主拱圈及侧墙将会发生倾斜、扭转,严重的将会导致开裂。当拱桥桥墩在纵向出现沉降不规则的现象时,侧墙将会产生竖向裂缝,主拱圈在下沉桥墩附近的桥底开裂,上缘与侧墙脱离。
(2)主拱圈厚度太薄或材料强度不够主造成拱圈开裂，严重影响桥梁的安全。如果分析石拱桥主拱圈内力的话,会发现最大的正弯矩是在拱桥顶端的,而最大的负弯矩则出现在拱桥的脚部位置。当设计人在设计控制截面时,若设计的荷载内力超过了截面抗力，或者是在砌拱桥的时候平行拱圈石头没有交错搭接，再加上桥面行车的震动加剧,就会出现拱桥的下半部分出现开裂的情况。
(3)主拱圈变形会对拱上构造形成外加应力,若是过于平坦的腹拱,其腹拱推力就比较大,同时加上不符合设计要求的质量比较差的施工条件，可能使腹拱出现裂缝而导致开裂现象。
(4)在拱桥上填料由于自身恒载及外活载作用下,对侧墙产生的横向推力及在与拱圈共同受力时,侧墙在U4截面产生拉应力而导致拱桥墙体开裂。同时由于在护拱措施上设计较弱，石料的加工质量较差，或者是无明显护拱措施，由于防水和排水设施不完善导致拱圈和侧墙出现渗水现象。
(5)空腹式拱桥存在着铰腹拱，为适应变形的需要,侧墙与桥面结构需相应设置伸缩缝或变形缝, 但因为桥面伸缩缝设置构造过于简单，所以由于缝的存在，构造上又不进行改善,易引起桥面从变形缝处开始破坏，同时桥面多采用沥青、油毛毡防水层,其中油毛毡容易老化,特别是变形缝处,很难保证沥青麻絮密实，所以引起桥面破坏，从而影响行车安全，轻则使行车轻微颠簸,重则产生跳车，且车辆经过跳车处时,会引起腹拱严重振动,增加构件的疲劳,势必缩短桥梁的使用寿命 。
3.石拱桥防护措施讨论
3.1防护原理与方法
石拱桥的防护措施可以分为两个方面，一方面是加固，一方面是提升施工质量。防护措施的基本原理则是为了减少主拱圈承受的拉应力。石拱桥在承载载荷的影响下，除了承受荷载产生的轴向压力外,还承受荷载对其产生的弯矩和剪力,但其中可以忽略剪力的作用，所以石拱桥结构的承重结构是压弯构件。根据材料力学的基本原理可以得知石拱桥受力状况由荷载产生的内力(轴力、弯矩),主拱圈截面的面积和抗弯弹性三个因素决定。
石拱桥加固方法：一方面可改变结构体系、提升结构性能，梁拱结合，将主拱圈的内力减少,采用共同受力的方式, 减少主拱圈承受恒载内力，或将原桥轻型的刚架改变为重力式拱上建筑,减轻主拱圈承受的恒载重量。另一方面可增大主拱圈截面面积，增加拱圈的强度, 减小拱圈承受的拉应力,达到加固主拱圈，提高承载的目的。
提升施工质量的方法：加强拱架设计与施工过程控制，拱轴线与恒载压力线应尽量吻合，应设置防水层和较好的桥面铺装。石料强度与尺寸必须满足要求,施工时石料的强度必须满足设计要求，可以采用砌筑经济性较好的小石子混凝土代替水泥砂浆砌筑片石或块石。确保砌筑工艺质量，做好镶面,保证外观，选择合适的主拱圈合龙温度。
3.2防护技术和结果分析
依据经验选择对策,首先在分析影响对策选择的诸因素的基础上，选择几项主要影响因素,并安排好选择时考虑加固方案的先后顺序,合理的加固方案应该达到下列要求：加固效果好，对使用功能影响小，技术可靠，施工简便，经济合理，外观整齐。
（1）加固技术—砌缝修补，采取勾缝修补,阻止砌缝向深度发展。勾缝时先用手凿凿去已破损的灰浆，清洗桥体表层2～3层块材间灰缝，深度3cm ～5cm，填以现代水泥基高强耐久性较好的粘接材料。对于纵向裂缝,尤其是受力裂缝,要以水泥浆料填孔，并纵向排列。
（2）加固技术—减轻拱上建筑恒载，减少主拱圈的内力，减少主拱圈承受的恒载内力，减小拱圈承受的拉应力来提高拱桥承受活载的能力。可以用轻型拱上建筑取代腹拱式拱上建筑，将腹孔的重力式横墙挖空或改成钢筋混凝土立柱。用轻型材料代替拱料，使用轻型桥面系。
（3）加固技术—喷涂抗风化剂，在要保护的桥面覆盖600～1200泥沙或泥土，提高石材抗风化能力。现代石材抗风化材料较多，掺以适当的固化材料，覆土适当夯实，但不得对拱桥产生较大震动且不得对桥栏产生较大侧压力。
（4）加固技术—浇筑套箍混凝土，加固护坡和桥基的时候，在桥基及两侧 10m 内砌筑毛石护坡保护，增设一层钢筋混凝土套箍层,达到提高原桥承载力的目的。为使主拱圈受力更加合理,钢筋混凝土套箍层沿纵向采用变截面的形式,从跨中至拱脚逐渐变大。
（5）加固技术—喷射高强混凝土，一部分桥栏构件破损、缺失较严重，也较易于漂移与解体，先进行逐段拆除再利用环氧砂浆将钢板粘贴在结构受损的部位，其方法是先锚入锚杆,利用锚杆挂设钢筋网,再施喷加入适量速凝剂的高强混凝土至结构面,新旧混凝土紧密结合,以此达到加固的效果，补足影响桥体整体性的缺失构件。
结果分析：石拱桥在枯水期正常使用情况下及桥体受淹后主拱圈主压应力最大值可满足拱圈石材砌体的抗压强度要求，在枯水期正常使用情况下桥体主拉应力最大值稍稍偏大，但从第一主应力云图可以看出，该应力峰值仅出现于桥面局部位置，其对桥体整体安全性影响不大。加强桥体上部块材间的整体性，变石材通缝受力为齿缝受力，桥体抗解体的能力可提高好几倍；就弯曲抗拉而言，桥体抗解体的能力可提10倍。
4.结语
对石拱桥的防护不仅仅要全面分析其受病害的原因，还需要有针对地施行防护措施，采用合理方案对石拱桥进行有力保护，对石拱桥的发展具有重大意义。
